射頻功率放大器的前饋線性化簡(jiǎn)介

了解一種用于高功率射頻發(fā)射機(jī)的重要設(shè)計(jì)技術(shù)：前饋線性化，其工作原理是基于失真信號(hào)的抵消。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，功率放大器的高效性和高線性度至關(guān)重要。高效性對(duì)于降低能耗、延長(zhǎng)電池壽命和簡(jiǎn)化熱管理至關(guān)重要。而線性度則對(duì)于確保放大信號(hào)具有最小的失真至關(guān)重要。然而，設(shè)計(jì)用于最大化效率的功率放大器通常會(huì)表現(xiàn)出較大的非線性。

有幾種不同的功率放大器線性化技術(shù)可供選擇。自電話通信誕生以來(lái)，放大器中的失真問(wèn)題就一直存在，因此其中一些技術(shù)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。例如，Harold Black分別在1928年和1937年申請(qǐng)了前饋和反饋電路技術(shù)的專利。最初這些技術(shù)旨在最小化中繼放大器的失真，后來(lái)被用于線性化射頻功率放大器。

在本文中，我們將討論前饋線性化技術(shù)。圖1展示了一個(gè)前饋功率放大器（PA）系統(tǒng)的基本框圖。

基本的前饋功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 基本的前饋功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖片由Steve Arar提供

如圖所示，前饋結(jié)構(gòu)實(shí)際上需要兩個(gè)放大器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)確定主放大器添加的失真信號(hào)并將其從系統(tǒng)輸出中減去，從而增強(qiáng)整體線性度。讓我們探討一下該電路的工作原理。

輸入信號(hào)被應(yīng)用到兩條不同的路徑。在上部路徑中，輸入信號(hào)由主功率放大器放大。非線性放大器的輸出可以看作是輸入信號(hào)的線性復(fù)制和由非線性引起的誤差信號(hào)的總和。因此，節(jié)點(diǎn)m處的電壓可以表示為：

公式1

其中：

Av是功率放大器的電壓增益

Vd是由放大器的非線性產(chǎn)生的誤差信號(hào)。

在框圖中，垂直分支將非線性功率放大器的總輸出衰減Av倍，以產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)n處的電壓。根據(jù)公式1，我們有：

公式2

從Vn中減去輸入Vin，我們得到節(jié)點(diǎn)p處的失真信號(hào)的衰減版本：

公式3

從輸入到第一個(gè)減法器的兩條路徑形成了一個(gè)環(huán)路，消除了節(jié)點(diǎn)p處的輸入信號(hào)。這被稱為信號(hào)抵消環(huán)路。

接下來(lái)，節(jié)點(diǎn)p處的電壓被應(yīng)用到一個(gè)增益為Av的誤差放大器，生成電壓Vq = Vd。這為我們提供了失真信號(hào)Vd。最后，Vq從Vm中減去，生成輸出電壓：

公式4

盡管放大器是非線性的，但整體輸出是輸入信號(hào)的線性復(fù)制。前饋功率放大器系統(tǒng)的第二個(gè)環(huán)路被稱為誤差抵消環(huán)路。

誤差放大器

第二個(gè)環(huán)路中放大器引入的任何跟蹤誤差都會(huì)在輸出端無(wú)補(bǔ)償?shù)爻霈F(xiàn)。因此，誤差放大器的失真特性決定了系統(tǒng)的整體線性度。

在第一個(gè)減法器的輸出端，信號(hào)被抵消，只剩下失真分量。假設(shè)這個(gè)殘余信號(hào)很小，誤差放大器比主放大器更不容易受到失真的影響。然而，隨著信號(hào)幅度的增加，失真分量會(huì)迅速增加。例如，放大器中的三階失真產(chǎn)生的失真分量會(huì)隨著輸入信號(hào)幅度的增加而呈立方增長(zhǎng)。

因此，盡管通常主放大器決定了整個(gè)系統(tǒng)的功率等級(jí)，但誤差放大器的功率能力也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。它受到多個(gè)不同參數(shù)的影響，包括：

從輸入到第一個(gè)減法器的信號(hào)路徑中引入的衰減。

主放大器的AM-PM失真。

有關(guān)前饋功率放大器設(shè)計(jì)這一方面的更多信息，請(qǐng)參閱Steve Cripps的《無(wú)線通信中的射頻功率放大器》。

誤差放大器還應(yīng)提供足夠的輸出功率以克服輸出組合器的損耗。通常，這需要將誤差放大器的尺寸與主功率放大器相當(dāng)，這可能會(huì)增加系統(tǒng)的成本并降低其效率。

增益和相位匹配是必需的

讓我們回到圖1。為了使之前的電路分析有效，通向減法器的路徑必須具有完美的相位匹配，并且其相關(guān)組件必須具有完美的增益匹配。例如，如果從輸入到第一個(gè)減法器的兩條路徑表現(xiàn)出不同的延遲，信號(hào)抵消將無(wú)法進(jìn)行。

需要在頻率、溫度和時(shí)間上實(shí)現(xiàn)精確的增益和相位跟蹤。此外，放大器會(huì)引入一些信號(hào)路徑延遲。因此，我們需要引入兩個(gè)延遲塊來(lái)均衡相應(yīng)路徑的延遲。如圖2所示。

在圖1的電路中添加延遲元件。

圖2 在圖1的電路中添加延遲元件。圖片由Steve Arar提供

在上圖中，延遲塊τ1補(bǔ)償了主放大器和衰減器引起的相位偏移。同樣，延遲塊τ2補(bǔ)償了誤差放大器引入的相位偏移。延遲塊可以由無(wú)源集總元件網(wǎng)絡(luò)或傳輸線構(gòu)成。

但請(qǐng)記住，這些塊會(huì)導(dǎo)致功率耗散并降低放大器的效率。設(shè)計(jì)寬帶延遲塊也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

實(shí)際實(shí)現(xiàn)

圖3展示了一個(gè)更實(shí)際的前饋功率放大器實(shí)現(xiàn)。

使用定向耦合器的更實(shí)際的前饋功率放大器系統(tǒng)。

圖3 一個(gè)更實(shí)際的前饋功率放大器的框圖。圖片（修改）由William F. Egan提供

在這里，定向耦合器被戰(zhàn)略性地用于在電路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處采樣和路由信號(hào)。系數(shù)cn和cn′分別表示每個(gè)耦合器的耦合系數(shù)和主線增益。

與我們之前檢查的電路不同，這種安排在信號(hào)抵消環(huán)路中沒(méi)有明顯的衰減器塊。相反，衰減是由環(huán)路中的定向耦合器引起的。

使用矢量調(diào)制器的前饋功率放大器系統(tǒng)

圖4展示了另一種前饋功率放大器系統(tǒng)的變體。在該電路中，兩個(gè)矢量調(diào)制器（VM）被放置在主放大器（MA）和誤差放大器（EA）之前。

使用矢量調(diào)制器的前饋功率放大器。

圖4 使用矢量調(diào)制器的前饋功率放大器。圖片由Richard N. Braithwaite提供

矢量調(diào)制器是一種可以控制RF信號(hào)幅度和相位的設(shè)備。它將信號(hào)分成兩個(gè)分量，稱為同相和正交分量，彼此相差90度。通過(guò)調(diào)整這些分量，圖4中的矢量調(diào)制器匹配環(huán)路的增益和相位。

自適應(yīng)前饋系統(tǒng)

自適應(yīng)前饋功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)的線性性能并相應(yīng)地調(diào)整環(huán)路參數(shù)。圖5展示了一個(gè)自適應(yīng)前饋功率放大器的簡(jiǎn)化框圖。

使用導(dǎo)頻輔助的前饋功率放大器。

圖5 使用導(dǎo)頻輔助的前饋功率放大器的框圖。圖片由Richard N. Braithwaite提供

在這個(gè)例子中，導(dǎo)頻信號(hào)在主放大器之前引入。導(dǎo)頻信號(hào)在前饋電路中被視為不需要的失真。理想情況下，它不應(yīng)出現(xiàn)在最終輸出中。這為我們提供了一種評(píng)估放大器線性性能的方法。

之后，存在多種算法通過(guò)微調(diào)信號(hào)抵消和誤差抵消環(huán)路來(lái)優(yōu)化性能。這些算法旨在確定最小化殘余失真的控制參數(shù)。使用自適應(yīng)前饋系統(tǒng)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)比原本更低的失真水平。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與反饋方法相比，前饋技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以校正幅度和相位誤差。更重要的是，前饋功率放大器系統(tǒng)在其構(gòu)建模塊表現(xiàn)出顯著相位偏移時(shí)仍然是穩(wěn)定的。這種穩(wěn)定性源于輸出沒(méi)有被反饋到輸入。

前饋方法的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其寬帶寬。這種寬帶功率放大器對(duì)于多載波無(wú)線通信（包括無(wú)線基站使用的通信）至關(guān)重要。它也是一種相對(duì)低噪聲的線性化技術(shù)。主放大器的噪聲理想情況下會(huì)以與失真相同的方式被抵消。

這帶來(lái)了前饋系統(tǒng)的另一個(gè)好處：它們幾乎即時(shí)地校正失真誤差。因此，它們不受通常與功率放大器相關(guān)的記憶效應(yīng)的影響。記憶效應(yīng)是指功率放大器的輸出受到輸入信號(hào)歷史影響的現(xiàn)象。它會(huì)影響預(yù)失真線性化技術(shù)的有效性，我們將在未來(lái)的文章中討論這一點(diǎn)。

總之，前饋功率放大器系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

可以校正相位和幅度。

盡管存在相位偏移，仍然具有固有的穩(wěn)定性。

寬帶寬。

低噪聲。

不受記憶效應(yīng)影響。

然而，它們也有一些缺點(diǎn)。正如我們之前提到的，引入模擬延遲元件需要使用無(wú)源器件，如微帶線。這些器件中的功率損耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此外，輸出減法器的構(gòu)造需要使用低損耗組件（例如高頻變壓器）以確保效率。

總結(jié)

前饋線性化方法基于失真信號(hào)的抵消原理。它通過(guò)確定失真信號(hào)然后從非線性功率放大器的輸出中減去它來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)校正。前饋系統(tǒng)非常適合需要寬帶寬的應(yīng)用，使其成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。